第七章-多相催化反应器的设计与分析讲解
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
dp
13
固定床反应器的数学模型
1.概述
拟 平推流的一维模型
均 相 有轴向返混的一维模型
模 型
有径向混合和径向温差的二维模型
非均相模型
一维模型 二维模型
14
固定床反应器的数学模型
2. 活塞流模型
物料衡算
Gw A0 MA
dX A dZ
0b ( A )
热量衡算
GC pt
dT dZ
0 b
(
A
)(H r
)
4U dt
(T
Tc
)
动量衡算
dp dZ
fG2 (1 ) d p 3
初始条件 Z 0, X A 0, T T0, P P0
15
固定床反应器的数学模型
3. 轴向扩散模型
Da
d 2cA dZ 2
u0
dcA dZ
0 b ( A )
0
ea
d 2T dZ 2
f u0C pt
dT dZ
0 b (A )(H r )
4U dt
(T
Tc )
0
Z
0,
u0 (CA0
CA )
Da
dcA dZ
u0
f
C pt (T0
T)
ea
dT dZ
Z L, dcA dT 0
dZ dZ
16
绝热式固定床反应器
p
dt
圆柱形颗粒
ht dt
f
1.26Re
0.95
exp
6d
p
dt
径向传质
Per
r
d pu Dr
5～13 多数≈10
12
固定床内的传递现象
小结
轴向：
等温时，若用N个等体积的全混釜来描述固定床内气 体的流动状况，则N等于50或更大。
对工业固定床反应器，大多数Lr/dp值远大于50，故可 采用活塞流模型表示等温固定床内气体的流动状况。
真实床层径向空隙率分布 是不均匀的，在距壁面约 1～2倍粒径处，空隙率最大。 －壁效应
床层直径与颗粒直径之比 越大，空隙率分布越均匀。
由于空隙率分布不均匀。 造成径向流速分布不同于空 管。
为了消除壁效应，一般， 管径与粒径之比应大于8。
7
固定床内的传递现象
1. 固定床内的流体流动
压力降计算公式
Vr
FA0
b
X AL
dX A
X A0 0 ( X A ,T )[ A ( X A ,T )]
T T0 X A wA0 (H r )T0
M AC pt
17
绝热式固定床反应器
2.多段
平衡曲线
产品
Ⅰ
XA
最佳温度线
原料
Ⅱ
T=XA
Ⅲ
T
18
绝热式固定床反应器
2.多段
催化剂用量最少**
自热式 径向反应塔
3
段内绝热，段间换热
4
换 热 式 固 定 床 反 应 器
5
固定床内的传递现象
1. 固定床内的流体流动
颗粒间空隙体积
= 床层体积
影响因素
颗 粒 的 装 填 方 式
颗 粒 与 床 层 直 径 比
粒 度 分 布
颗 粒 形 状
6
固定床内的传递现象
1. 固定床内的流体流动
小结：
径向传热包括 床层本身的导热 + 床层与器壁的对流传热
床层本身的导热热阻 靠近内壁的层流边界层
径向有效导热系数er 关联式很多
壁膜传热系数hw 无满意关联式
床层传热系数
ht
11
固定床内的传递现象
2. 质量和热量的径向扩散
ht的关联式
球形颗粒
ht dt
f
2.03Re
0.8
exp
6d
第七章 多相催化反应器的设计与分析
1
本章内容：
固定床反应器的分类 固定床内的传递现象 固定床反应器的数学模型 绝热式固定床反应器 换热式固定床反应器 自热式固定床反应器 参数敏感性
2
固定床反应器的分类
绝热反应器 单段绝热反应器 多段绝热反应器
换热反应器 列管式固定床反应器
2. 在规定的进、出口转化率下，存在一最佳的进口温度，使催化剂
总用量最少
20
换热式固定床反应器
1. 催化剂用量
Gw A0 MA
dX A dZ
0b ( A )
Vr
FA0
b
X AL
dX A
X A0 0 ( X A ,T )[ A ( X A ,T )]
令： Vr 0， 得 X A
A
(X
T Ai, i1 ' )
A
(X
Ai,Ti
),i
2,3,,
N
令： Vr 0， 得 Ti
X Ai 1
dX A
0,i 1,2, N
Ti X Ai A ( X A,T )
两式含义：
1. 为保证催化剂总用量最少，任何一段的出口转化率应等于下一段 进口的转化率
非等温时，以Lr/dp值大于150作为准则较稳妥。
径向：
若用N个等体积的全混釜来描述固定床内气体的流动 状况，则N不可能为1，即径向浓度梯度总是存在。
减小dt/dp，则径向浓度梯度降低，但当dt/dp ＜5， 则床内流动极不均匀。（壁效应严重，且流体易短路）
轴向扩散： N Lr
dp 径向扩散： N 5 dt
流 颗粒的粘滞曳力 动 阻 力 局部阻力
回顾：空管中流动阻力
p
f
Lru01
ds 3
f 150 1.75 Re
Re
d su0
1
1
ds
6Vp ap
u0、 8
固定床内的传递现象
2. 质量和热量的轴向扩散
Pea
m
d pu Da
Pea
h
d pucp ea
1.单段
GC pt
dT dZ
0 b (A )(H r )T
Gw A0 MA
dX A dZ
0b ( A )
dT wA0 (H r )T
dX A
M AC pt
Lr
Gw A0
M Ab
X AL
dX A
X A0 0 ( X A ,T )[ A ( X A ,T )]
2 0.3～1
0.6
气体 液体
Re
d pu ＞10
回顾
Pe
uLr Da
9
固定床内的传递现象
2. 质量和热量的径向扩散
固定床的径向传热
固 定
粒
子床
粒 内 传 热
与 流 体 间 的
层 与 器 壁 的
床 反 应 器 的 径 向 温
传传
度
热热
分
热阻大
布10
固定床内的传递现象
2. 质量和热量的径向扩散
目标函数
产品成本最低
产量最大
N
Vr Vri Vmin i 1
V
r
FA0
b
[
X A1 '
dX A
X A1
A
(
X
A,T
)
X A2 '
dX A
X A2
A
(
百度文库
X
A,T
)
X AN '
dX A
]
X AN A ( X A,T )
19
绝热式固定床反应器
2.多段
13
固定床反应器的数学模型
1.概述
拟 平推流的一维模型
均 相 有轴向返混的一维模型
模 型
有径向混合和径向温差的二维模型
非均相模型
一维模型 二维模型
14
固定床反应器的数学模型
2. 活塞流模型
物料衡算
Gw A0 MA
dX A dZ
0b ( A )
热量衡算
GC pt
dT dZ
0 b
(
A
)(H r
)
4U dt
(T
Tc
)
动量衡算
dp dZ
fG2 (1 ) d p 3
初始条件 Z 0, X A 0, T T0, P P0
15
固定床反应器的数学模型
3. 轴向扩散模型
Da
d 2cA dZ 2
u0
dcA dZ
0 b ( A )
0
ea
d 2T dZ 2
f u0C pt
dT dZ
0 b (A )(H r )
4U dt
(T
Tc )
0
Z
0,
u0 (CA0
CA )
Da
dcA dZ
u0
f
C pt (T0
T)
ea
dT dZ
Z L, dcA dT 0
dZ dZ
16
绝热式固定床反应器
p
dt
圆柱形颗粒
ht dt
f
1.26Re
0.95
exp
6d
p
dt
径向传质
Per
r
d pu Dr
5～13 多数≈10
12
固定床内的传递现象
小结
轴向：
等温时，若用N个等体积的全混釜来描述固定床内气 体的流动状况，则N等于50或更大。
对工业固定床反应器，大多数Lr/dp值远大于50，故可 采用活塞流模型表示等温固定床内气体的流动状况。
真实床层径向空隙率分布 是不均匀的，在距壁面约 1～2倍粒径处，空隙率最大。 －壁效应
床层直径与颗粒直径之比 越大，空隙率分布越均匀。
由于空隙率分布不均匀。 造成径向流速分布不同于空 管。
为了消除壁效应，一般， 管径与粒径之比应大于8。
7
固定床内的传递现象
1. 固定床内的流体流动
压力降计算公式
Vr
FA0
b
X AL
dX A
X A0 0 ( X A ,T )[ A ( X A ,T )]
T T0 X A wA0 (H r )T0
M AC pt
17
绝热式固定床反应器
2.多段
平衡曲线
产品
Ⅰ
XA
最佳温度线
原料
Ⅱ
T=XA
Ⅲ
T
18
绝热式固定床反应器
2.多段
催化剂用量最少**
自热式 径向反应塔
3
段内绝热，段间换热
4
换 热 式 固 定 床 反 应 器
5
固定床内的传递现象
1. 固定床内的流体流动
颗粒间空隙体积
= 床层体积
影响因素
颗 粒 的 装 填 方 式
颗 粒 与 床 层 直 径 比
粒 度 分 布
颗 粒 形 状
6
固定床内的传递现象
1. 固定床内的流体流动
小结：
径向传热包括 床层本身的导热 + 床层与器壁的对流传热
床层本身的导热热阻 靠近内壁的层流边界层
径向有效导热系数er 关联式很多
壁膜传热系数hw 无满意关联式
床层传热系数
ht
11
固定床内的传递现象
2. 质量和热量的径向扩散
ht的关联式
球形颗粒
ht dt
f
2.03Re
0.8
exp
6d
第七章 多相催化反应器的设计与分析
1
本章内容：
固定床反应器的分类 固定床内的传递现象 固定床反应器的数学模型 绝热式固定床反应器 换热式固定床反应器 自热式固定床反应器 参数敏感性
2
固定床反应器的分类
绝热反应器 单段绝热反应器 多段绝热反应器
换热反应器 列管式固定床反应器
2. 在规定的进、出口转化率下，存在一最佳的进口温度，使催化剂
总用量最少
20
换热式固定床反应器
1. 催化剂用量
Gw A0 MA
dX A dZ
0b ( A )
Vr
FA0
b
X AL
dX A
X A0 0 ( X A ,T )[ A ( X A ,T )]
令： Vr 0， 得 X A
A
(X
T Ai, i1 ' )
A
(X
Ai,Ti
),i
2,3,,
N
令： Vr 0， 得 Ti
X Ai 1
dX A
0,i 1,2, N
Ti X Ai A ( X A,T )
两式含义：
1. 为保证催化剂总用量最少，任何一段的出口转化率应等于下一段 进口的转化率
非等温时，以Lr/dp值大于150作为准则较稳妥。
径向：
若用N个等体积的全混釜来描述固定床内气体的流动 状况，则N不可能为1，即径向浓度梯度总是存在。
减小dt/dp，则径向浓度梯度降低，但当dt/dp ＜5， 则床内流动极不均匀。（壁效应严重，且流体易短路）
轴向扩散： N Lr
dp 径向扩散： N 5 dt
流 颗粒的粘滞曳力 动 阻 力 局部阻力
回顾：空管中流动阻力
p
f
Lru01
ds 3
f 150 1.75 Re
Re
d su0
1
1
ds
6Vp ap
u0、 8
固定床内的传递现象
2. 质量和热量的轴向扩散
Pea
m
d pu Da
Pea
h
d pucp ea
1.单段
GC pt
dT dZ
0 b (A )(H r )T
Gw A0 MA
dX A dZ
0b ( A )
dT wA0 (H r )T
dX A
M AC pt
Lr
Gw A0
M Ab
X AL
dX A
X A0 0 ( X A ,T )[ A ( X A ,T )]
2 0.3～1
0.6
气体 液体
Re
d pu ＞10
回顾
Pe
uLr Da
9
固定床内的传递现象
2. 质量和热量的径向扩散
固定床的径向传热
固 定
粒
子床
粒 内 传 热
与 流 体 间 的
层 与 器 壁 的
床 反 应 器 的 径 向 温
传传
度
热热
分
热阻大
布10
固定床内的传递现象
2. 质量和热量的径向扩散
目标函数
产品成本最低
产量最大
N
Vr Vri Vmin i 1
V
r
FA0
b
[
X A1 '
dX A
X A1
A
(
X
A,T
)
X A2 '
dX A
X A2
A
(
百度文库
X
A,T
)
X AN '
dX A
]
X AN A ( X A,T )
19
绝热式固定床反应器
2.多段